JP2007276072A - Nanotweezer, gripping force detection method, and driving device of nanotweezer - Google Patents
Nanotweezer, gripping force detection method, and driving device of nanotweezer Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007276072A JP2007276072A JP2006107594A JP2006107594A JP2007276072A JP 2007276072 A JP2007276072 A JP 2007276072A JP 2006107594 A JP2006107594 A JP 2006107594A JP 2006107594 A JP2006107594 A JP 2006107594A JP 2007276072 A JP2007276072 A JP 2007276072A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- arms
- pair
- vibration
- gripping force
- arm
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Micromachines (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
Description
本発明は、微少試料をソフトハンドリングするためのナノピンセット、そのナノピンセットの把持力検出方法および駆動装置に関する。 The present invention relates to a nanotweezers for soft handling a minute sample, a method for detecting a gripping force of the nanotweezers, and a driving device.
従来、ミクロンオーダーの試料をハンドリングするピンセットが提案されている(例えば、特許文献1参照)。そのピンセットにおいては、ピンセットを開閉駆動する櫛歯電極の静電容量とピンセットの間隔との相関、および、印加電圧と静電容量との相関を予め求めておき、実際に検出される印加電圧および静電容量とそれらの相関とを用いて、把持力を求めるようにしている。 Conventionally, tweezers for handling micron-order samples have been proposed (see, for example, Patent Document 1). In the tweezers, the correlation between the capacitance of the comb-tooth electrode that drives the tweezers to open and close and the interval between the tweezers, and the correlation between the applied voltage and the capacitance are obtained in advance, and the actually detected applied voltage and The gripping force is obtained using the capacitance and the correlation between them.
しかしながら、上述したピンセットにおいて非常に小さな把持力を検出する場合、ピンセットの間隔をナノメートルオーダーで計測して相関を求める必要があり、高精度な相関を求めるのは困難であった。そのため、細胞等を把持する際に、把持力の微妙な調整が難しいという問題がある。 However, when detecting a very small gripping force in the above-described tweezers, it is necessary to obtain the correlation by measuring the distance between the tweezers on the nanometer order, and it is difficult to obtain a highly accurate correlation. Therefore, there is a problem that it is difficult to finely adjust the gripping force when gripping a cell or the like.
請求項1の発明は、開閉駆動機構により開閉自在な一対のアームで試料を把持するナノピンセットに適用され、一対のアームのいずれか一方を振動させる振動機構と、振動機構によるアーム振動の変化を検出する検出手段と、検出手段の検出結果に基づいて、一対のアームの把持力を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載のナノピンセットにおいて、振動機構は振動状態に応じたイミタンスを発生するものであり、検出手段によりイミタンスの変化を検出するようにしたものである。
請求項3の発明は、請求項2に記載のナノピンセットにおいて、振動機構に、静電力により振動する櫛歯電極を備えたものである。
請求項4の発明は、請求項3に記載のナノピンセットにおいて、一対のアームおよび振動機構を、フォトリソグラフィー法によりSOIウエハから一体で形成したものである。
請求項5の発明は、閉駆動機構により開閉自在な一対のアームで試料を把持するナノピンセットの把持力検出方法であって、一対のアームのいずれか一方を振動させ、試料把持時における振動の変化を検出し、その検出結果に基づいて一対のアームの把持力を演算することを特徴とする。
請求項6の発明は、開閉自在な一対のアームのいずれか一方を振動させる振動機構を備えたナノピンセットの駆動装置であって、振動機構によるアーム振動の変化を検出する検出部と、検出部の検出結果に基づいて、一対のアームの把持力を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする。
The invention of
According to a second aspect of the present invention, in the nanotweezers according to the first aspect, the vibration mechanism generates immittance according to the vibration state, and a change in the immittance is detected by the detecting means.
According to a third aspect of the present invention, in the nanotweezers according to the second aspect, the vibration mechanism includes a comb-tooth electrode that vibrates by an electrostatic force.
According to a fourth aspect of the present invention, in the nanotweezers according to the third aspect, the pair of arms and the vibration mechanism are integrally formed from an SOI wafer by a photolithography method.
The invention of
The invention of
本発明によれば、アーム振動の変化を検出して把持力を演算するようにしたので、微小な把持力を精度良く検出することができる。 According to the present invention, since a change in arm vibration is detected and the gripping force is calculated, a minute gripping force can be accurately detected.
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図1は本発明に係るナノピンセットの概略構成を示す図である。図1のナノピンセットは、試料を把持する機構であるグリッパ部Gと、グリッパ部Gを駆動制御するとともに把持力の演算を行う駆動部Dとで構成されている。グリッパ部Gは、一対のアーム1,2、アーム1の駆動機構3,アーム2の駆動機構4を備えている。駆動部Dは、駆動機構3用の直流電源5、駆動機構4用の直流電源6および交流電源7,検出部8、演算部9、制御部10および入力部11を備えている。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a nanotweezers according to the present invention. The nanotweezers shown in FIG. 1 includes a gripper unit G that is a mechanism for gripping a sample, and a drive unit D that drives and controls the gripper unit G and calculates a gripping force. The gripper part G includes a pair of
把持対象である試料を把持する際には、アーム1を左右に開閉動作させてアーム1,2間に把持する。その際に、アーム2を振動駆動させて駆動機構4のアドミッタンスを検出部8で検出し、アドミッタンスの変化から把持力を求める。把持力算出の詳細は後述する。演算部9は、検出されたアドミッタンスの変化に基づいて把持力を演算し、その演算結果を制御部10に入力する。制御部10は、演算部9から入力された演算結果と、入力部11から入力された指令とに基づいて、直流電源5,6および交流電源7の出力を制御する。
When gripping a sample to be gripped, the
図2は、グリッパ部Gの詳細を示す斜視図である。アーム1,2および駆動機構3,4は、絶縁層を挟んだ上下2つのシリコン層からなる3層構造の基板、例えばSOI(Silicon on Insulator)基板を用いて、半導体微細加工技術により一体で形成される。SOI基板は上部Si層、SiO2層および下部Si層で構成され、2枚のSi単結晶板の一方にSiO2層を形成し、そのSiO2層を挟むように貼り合わせたものである。アーム1,2および駆動機構3,4はSOI基板の上部Si層を加工して形成され、それらは下部Si層からなるベース12上に設けられている。符号13で示す部分がSiO2層である。
FIG. 2 is a perspective view showing details of the gripper portion G. FIG. The
試料は、アーム1,2の先端部分に形成された平行部1a,2aの間に把持される。アーム1を開閉駆動する駆動機構3は、アーム1側に設けられた櫛歯状凹凸部30と、櫛歯状凹凸部30と対向配置された櫛歯状凹凸部31とを備えている。櫛歯状凹凸部30,31の凸部30a,31aは、互いに相手方の凸部の間に入り込むように配置されている。各櫛歯状凹凸部30,31は、幅の狭くなった弾性連結部30b,31bを介して基部30c,31cに連結されており、各基部30c,31cはSiO2層13を介してベース12上に接続されている。
The sample is held between the
アーム2を振動させる駆動機構4は、アーム2側に設けられた櫛歯状凹凸部40と、櫛歯状凹凸部40と対向配置された櫛歯状凹凸部41とを備えている。櫛歯状凹凸部40,41の凸部40a,41aは、互いに相手方の凸部の間に入り込むように配置されている。各櫛歯状凹凸部40,41は、幅の狭くなった弾性連結部40b,41bを介して基部40c,41cに連結されており、各基部40c,41cはSiO2層13を介してベース12上に接続されている。
The
電極が形成されている基部30c、31cには、図1に示すように直流電源5が接続されている。直流電源5により電圧を印加すると、櫛歯状凹凸部30,31間の静電力により弾性連結部30bが変形し、アーム1が閉じる方向に駆動される。印加電圧をゼロにすると、弾性連結部30bの元に戻ろうとする弾性力によりアーム1が開く。アーム1の開閉度合いは印加電圧の電圧値を調整することにより制御される。
A
一方、電極が形成されている基部40c、41cには直流電源6と交流電源7とが接続されており、直流電源6により印加されたバイアス電圧E0に交流電源22による交流電圧eが重畳して印加されている。この交流電圧eの印加によりアーム2が振動することになる。
On the other hand, the
《アドミッタンスの説明》
図3は、駆動機構4における電気・機械結合系の等価回路を示す図である。C0は櫛歯状凹凸部40,41間における静電容量であり、CSは浮遊容量である。一般に、電気・機械結合系においては、電気的エネルギーおよび機械的エネルギーの保存則が成立する。ここでは、外力f、電圧eが小さく、変位量、電荷量の変動も小さいとしてモデル化した。
<Explanation of admittance>
FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit of an electric / mechanical coupling system in the
直流電源6によるバイアス電圧E0は機械系と電気系とを結合する働きをし、その結合係数をAとする。iは電流、mは櫛歯状凹凸部40およびアーム2から成る可動部分の質量、kはバネ定数、rfは機械抵抗である。この機械抵抗rfには、可動部分が振動することにより発生する流体抵抗や、試料を把持した際の把持力の影響している。図3の等価回路に関して、線形近似基本方程式は式(1),(2)のように表される。
i1=jω(C0+CS)e1+(E0C0/X0)ν1 …(1)
f1=jωmν1+rfν1+kν1/jω+E0C0e1/X0 …(2)
但し、i1は交流電流値、e1は入力交流電圧の振幅、ν1はアーム2の振動速度であり、f1は可動部分に作用する外力である。また、X0は初期状態の櫛歯間距離である。
The bias voltage E 0 from the
i 1 = jω (C 0 + C S ) e 1 + (E 0 C 0 / X 0 ) ν 1 (1)
f 1 = jωmν 1 + r f v 1 + kν 1 / jω + E 0 C 0 e 1 / X 0 (2)
However, i 1 is an alternating current value, e 1 is the amplitude of the input AC voltage, ν 1 is the vibration speed of the
式(1),(2)より、外力f1がゼロの場合、駆動機構4のアドミッタンスの絶対値|Y|と角周波数ωの関係は式(3)のように表すことができる。ここで、A=E0C0/X0である。なお、本実施の形態では、駆動機構4のアドミッタンスを検出して把持力を算出しているが、より広い概念で言えば、アドミッタンスやインピーダンスを含むイミタンスを検出して把持力を算出するものである。
図4は、アドミッタンス値|Y|の角周波数依存性を表すアドミッタンス曲線を示す図である。このアドミッタンス曲線は、電気・機械結合系の特性曲線になっている。一方、|Y|=ω(C0+CS)で表される直線は、機械系が無い電気系のみの場合の特性曲線、すなわち、式(3)において次式(4)が成り立つ場合の特性曲線を表している。
A2−2ω(C0+CS)(ωm−k/ω)=0 …(4)
FIG. 4 is a diagram showing an admittance curve representing the angular frequency dependence of the admittance value | Y |. This admittance curve is a characteristic curve of an electrical / mechanical coupling system. On the other hand, a straight line represented by | Y | = ω (C 0 + C S ) is a characteristic curve in the case of only an electric system without a mechanical system, that is, a characteristic in the case where the following expression (4) is satisfied in Expression (3). Represents a curve.
A 2 −2ω (C 0 + C S ) (ωm−k / ω) = 0 (4)
共振角周波数ω0は、アドミッタンス曲線のピーク位置より僅かに高いところに位置している。関数f(ω2)=|Y|2−ω2(C0+CS)に対して、df(ω2)/dω2=0を解くことにより、アドミッタンス曲線のピークの角周波数ωp、凹カーブを示す部分のボトムの角周波数ωbが得られる。図5は、関数f(ω2)の模式図である。
共振角周波数ω0と発振角周波数ω1との関係は、次式(7)で表される。発振角周波数ω1、ピーク角周波数ωpおよびボトム角周波数ωbとの間には、2(1/ω1)2=(1/ωp)2+(1/ωb)2という関係がある。
アドミッタンス値|Y|の式(3)には機械抵抗rfが含まれており、上述したように、機械抵抗rfはアーム2の振動に起因する流体抵抗や把持力の影響によって変化する。すなわち、試料を把持する際の把持力の変化をアドミッタンスの変化として検出することができる。
The equation (3) of the admittance value | Y | includes the mechanical resistance r f , and as described above, the mechanical resistance r f varies depending on the influence of the fluid resistance and gripping force caused by the vibration of the
《把持動作の説明》
図6,7は、グリッパ部Gのアーム1,2による把持動作を示す図である。まず、図6(a)に示すように、アーム2を共振させつつグリッパ部Gが装着されている3次元ステージを駆動して、グリッパ部Gを把持対象である細胞Cの位置へとアプローチする。次に、図6(b)のようにアーム1,2を細胞Cを含む溶液の中に挿入する。
<Description of gripping action>
6 and 7 are diagrams showing the gripping operation of the gripper part G by the
図8(a)は図6(a)の状態におけるアドミッタンス曲線L11を示す図であり、図8(b)は図6(b)の状態におけるアドミッタンス曲線L12を示す図である。図6(b)の場合にはアーム2の一部が溶液中に入った状態で振動しているので、溶液の粘性抵抗のために機械抵抗rfが大きくなる。その結果、図8(b)に示すようにアドミッタンス値|Y0|が小さくなり、アドミッタンス曲線L12のピーク間の上下幅は、アドミッタンス曲線L11に比べて小さくなる。なお、アドミッタンス曲線と直線|Y|=ω(C0+CS)との差は振動の振幅に換算され、差が大きいと振幅も大きくなる。
FIG. 8A is a diagram showing the admittance curve L11 in the state of FIG. 6A, and FIG. 8B is a diagram showing the admittance curve L12 in the state of FIG. 6B. Since in the case of FIG. 6 (b) are oscillating with a portion of the
次いで、図7(a)に示すようにアーム1を閉動作させて、細胞Cをアーム2の方向へと移動させ、図7(b)に示すようにアーム1,2間に細胞Cを把持する。アーム1,2間に細胞Cを把持すると、把持力に相当する力が細胞Cからアーム2へと作用する。その結果、アーム2の振動の振幅が把持前に比べて小さくなり、図8(c)に示すアドミッタンス曲線L13のようにピーク間の上下幅がさらに小さくなる。そして、このようなアドミッタンス曲線L12から曲線L13への変化から、把持力を算出することができる。
Next, the
図7(b)に示すようにアーム1,2間に細胞Cを把持し、所定の把持力となったならば、アーム1の移動動作を停止するとともに、交流電源7からの印加電圧をオフしてアーム2の振動を停止する。なお、把持力が所定値となったか否かは、後述する算出方法により得られる把持力により判定する。その結果、細胞Cを所望の把持力で把持することができる。細胞Cを把持したならば、グリッパ部Gの引き上げおよび移動を行って、細胞Cを所定の場所へと搬送する。
As shown in FIG. 7B, when the cell C is gripped between the
《把持力の算出》
把持力を算出する場合には、まず、振動系の振動状態を特徴づけるQファクターを求める。Qファクターは、共振角周波数ω0と可動部分の質量mと機械抵抗rfとから次式(8)により与えられる。
Q=ω0m/rf …(8)
<Calculation of gripping force>
When calculating the gripping force, first, a Q factor characterizing the vibration state of the vibration system is obtained. The Q factor is given by the following equation (8) from the resonance angular frequency ω 0 , the mass m of the movable part, and the mechanical resistance r f .
Q = ω 0 m / r f (8)
ω=ω1は上述した式(4)を満たす角周波数であるから、式(4)にω=ω1を代入し、ω0=√(k/m)を用いて変形すると、質量mは次式(9)で算出される。また、式(3)においてω=ω0とおくことにより、機械抵抗rfは共振周波数ω0におけるアドミッタンス値|Y0|を用いて式(10)で算出される。
式(9),(10)において、共振角周波数ω0はアドミッタンス曲線から求まる。なお、レーザードップラー振動計で共振角周波数ω0を測定しても良く、アドミッタンス曲線から求める場合よりも正確な値が得られる。また、電気機械結合係数Aは、直流電源6のバイアス電圧E0、初期状態の櫛歯間距離X0、および櫛歯部分のみの静電容量C0を用いて、A=E0C0/X0の式により算出される。
In equations (9) and (10), the resonance angular frequency ω 0 is obtained from an admittance curve. Note that the resonance angular frequency ω 0 may be measured with a laser Doppler vibrometer, and a more accurate value than that obtained from the admittance curve can be obtained. Further, the electromechanical coupling coefficient A is obtained by using the bias voltage E 0 of the
ここで、櫛歯部分のみの静電容量C0は次のようにして求める。まず、凸部40a,41aが形成されていない駆動部を製作し、櫛歯状凹凸部40,41の静電容量(C0+CS)と、凸部40a,41aが形成されていない駆動部の静電容量(浮遊容量CS)とを実測する。そして、それらの差分を取ることにより静電容量C0が求まる。このようにして得られた値を式(9),(10)に代入して質量mおよび機械抵抗rfを求め、それらを式(8)に代入することによりQファクターが算出される。なお、このQファクターとしては、アーム2が溶液中にある場合、すなわち、アドミッタンス曲線が図8(b)の場合について求める。
Here, the capacitance C 0 of only the comb-tooth portion is obtained as follows. First, the drive part in which the
次に、このQファクターを用いて、図7(b)の把持状態における把持力を算出する。この振動系におけるQファクターは、共振時における回路の蓄積エネルギーをE1、共振角周波数ω0の1周期での消費エネルギーをE2とすると、次式(11)のように表すことができる。そして、力(把持力)は、共振角周波数ω0の1周期での消費エネルギーE2より算出される。
Q=2πE1/E2 …(11)
Next, using this Q factor, the gripping force in the gripping state of FIG. 7B is calculated. The Q factor in this vibration system can be expressed as the following equation (11), where E1 is the accumulated energy of the circuit at the time of resonance and E2 is the energy consumed in one cycle of the resonance angular frequency ω 0 . Then, the force (gripping force) is calculated from the consumed energy E2 in one cycle of the resonance angular frequency omega 0.
Q = 2πE1 / E2 (11)
共振時における回路の蓄積エネルギーE1は、次式(12)で算出される。ここで、kはアーム2のバネ定数であり、B0は無負荷時すなわち図7(a)におけるアーム2の振幅で、Bは負荷時(図7(b)の把持時)におけるアーム2の振幅である。把持時の振幅Bは、無負荷時の振幅B0よりも小さくなる。
E1=kB0 2/2−kB2/2 …(12)
The accumulated energy E1 of the circuit at the time of resonance is calculated by the following equation (12). Here, k is the spring constant of the
E1 = kB 0 2/2-
ところで、図7(b)の状態から細胞Cを突然除去したと仮定すれば、アーム2の振幅Bは振幅B0に回復する。このとき、1周期中に回復する振幅量をδBとすると、共振角周波数ω0の1周期での消費エネルギーE2は、E2=kBδBとなる。このδBを式(11)に代入すると、δBは次式(13)のように表される。一方、細胞Cに加わる把持力FはF=kδBと表されるので、これを式(13)を用いて変形すると、把持力Fは式(14)で算出されることになる。
δB=π(B0 2−B2)/QB …(13)
F=πk(B0 2−B2)/QB …(14)
Meanwhile, assuming the state shown in FIG. 7 (b) and to remove cell C suddenly, the amplitude B of the
δB = π (B 0 2 −B 2 ) / QB (13)
F = πk (B 0 2 −B 2 ) / QB (14)
なお、式(14)の振幅B、B0については、以下のように算出する。前述した線形近似基本方程式(1),(2)において、正弦波駆動の場合にはν1=jωx1のように書けるので、式(1)は次式(15)のようになる。このとき、アドミッタンスの絶対値|Y|は式(16)のようになり、|Y|とアーム2(すなわち、櫛歯状凹凸部41)の変位x1との関係は式(17)のようになる。
測定時の角周波数ωを共振角周波数ω0に固定すれば、振幅B0,Bは、無負荷時のアドミッタンス|Y0|と負荷が加わったときのアドミッタンス|YL|とを用いて次式(18),(19)のように表される。
このように、本実施の形態のナノピンセットでは、アーム2の振動の変化をアドミッタンス変化として検出し、そのアドミッタンス変化から把持力を算出するようにした。その結果、非常に小さな把持力を検出することができ、細胞等の生物試料をpNオーダーでソフトハンドリングすることが可能となる。
As described above, in the nanotweezers of the present embodiment, a change in vibration of the
例えば、バネ定数kを345N/mで設計した場合、水中でのアドミッタンス測定でQ=122が得られる。初期振幅B0が40nmで負荷時の振幅Bが1nm減少した場合、把持力FはF=6.5nNとなる。さらに、水の負荷を考慮した設計にすることにより、バネ定数を下げつつQファクターを増加させることができる。そのため、k=34.5N/mで設計した場合に、Qファクターを244とすることも十分可能であり、その場合、把持力FとしてF=900pNが得られる。 For example, when the spring constant k is designed at 345 N / m, Q = 122 is obtained by admittance measurement in water. If the initial amplitude B 0 is the amplitude B under load at 40nm decreased 1 nm, the gripping force F becomes F = 6.5nN. Furthermore, the Q factor can be increased while lowering the spring constant by designing the water load. Therefore, when designing with k = 34.5 N / m, it is possible to set the Q factor to 244. In this case, the gripping force F is F = 900 pN.
一方、前述した従来のピンセットでは、pNオーダーの非常に小さな把持力まで検出できるようにするためには、相関を求めるための計測においてピンセットの間隔をナノメートルオーダーで計測する必要があり、満足できる程度の相関を求めるのは困難であった。 On the other hand, in the conventional tweezers described above, in order to detect even a very small gripping force on the order of pN, it is necessary to measure the distance between tweezers on the order of nanometers in the measurement for obtaining the correlation, which is satisfactory. It was difficult to obtain a degree of correlation.
《製造工程の説明》
次に、グリッパ部GをSOI基板から製造する際の、製造工程について説明する。図9(a)の断面図に示すように、SOI基板100は、下部Si層101とSiO2層102と上部Si層103とから成る。下部Si層101および上部Si層103は、<110>方位の単結晶シリコンから成る。なお、SOI基板だけでなく、ガラス基板上に単結晶シリコン層を有する基板や、アモルファスシリコン基板やポリシリコン基板上にSOI層を有する基板なども用いることができる。すなわち、最上層が<110>方位を有するSi層であって、このSi層の下層に絶縁層(SiO2層102)が形成されているような層構造を有する基板であれば、例えば、ベース12(図2参照)が形成される層を多層構造としてもかまわない。
<< Description of manufacturing process >>
Next, a manufacturing process when manufacturing the gripper part G from an SOI substrate will be described. As shown in the cross-sectional view of FIG. 9A, the
SOI基板100の各層の厚さの一例を述べると、上部Si層103は25μm、SiO2層102は1μm、下部Si層101は300μmである。また、SOI基板100上における1つのグリッパ部Gを形成する領域は縦、横ともに数mmの矩形状をしている。図9(a)に示す工程では、スパッタリング法や真空蒸着法などにより、厚さ約50nmのアルミ層104を上部Si層103の表面に形成する。
An example of the thickness of each layer of the
次に、図9(b)のようにアルミ層104の表面にレジスト105を約2μmの厚さで形成し、フォトリソグラフィによりレジスト105を露光・現像することにより、図2のナノピンセットの形状を成すレジストパターン105aを形成する(図9(c))。その後、図9(d)に示すように、レジストパターン105aをマスクとして混酸液によりアルミ層104をエッチングし、上部Si層103を露出させる。図12(a)は、図9(d)の状態におけるSOI基板100の斜視図である。なお、図9(d)は図12のE−E断面を示したものである。
Next, as shown in FIG. 9B, a resist 105 is formed on the surface of the
次に、ICP−RIE(Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching)により上部Si層103を垂直方向に異方性エッチングする。このエッチングはSiO2層102が露出するまで行われ、エッチング終了後、硫酸・過酸化水素混合液によりレジストパターン105aおよびアルミ層104を除去する(図10(a)参照)。図12(b)は、レジストパターン105aおよびアルミ層104を除去した後の基板100を示す斜視図である。SiO2層102上には、同一の上部Si層103によりナノピンセットを構成する立体構造体が形成される。
Next, the
次いで、図10(b)に示すように基板100を表裏反転させて、スパッタリング法や真空蒸着法により下部Si層101の表面にアルミ層107を形成する。アルミ層107の厚さは、約50nmとする。そして、アルミ層107の上にレジスト108を約2μmの厚さに形成した後にフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、そのレジスト108をマスクに用いてアルミ層107を混酸液によりエッチングする(図10(c)参照)。なお、図10(c)の断面図は、櫛歯状凹凸部30,31,40,41の弾性連結部30b,31b,40b,41bの部分の断面を示したものである。
Next, as shown in FIG. 10B, the
下部Si層101の上に形成されたレジスト108およびアルミ層107は、アーム下部の下部Si層101を除去するためのマスクであり、これらをマスクとして下部Si層101をICP−RIEによりエッチングする。下部Si層101は異方性エッチングにより垂直方向にエッチングされ、エッチングはSiO2層102が露出するまで行われる。エッチング終了後に、硫酸・過酸化水素混液によりレジスト108およびアルミ層107を除去する(図11(a)参照)。
The resist 108 and the
次いで、露出しているSiO2層102を、緩衝フッ化水素溶液を用いてエッチングする。その結果、基部30c,31c,40c,41cの上部Si層103と下部Si層101とで挟まれた領域を除いて、SiO2層102が除去される(図11(b)参照)。図12(c)は、図11(b)に示す工程の後の基板100を示す斜視図である。その後、図11(c)に示すように、基部30c,31c,40c,41cの上に、真空蒸着法等によりアルミ等からなる導体膜109を形成する。導体膜109は電極として機能するものである。
Next, the exposed SiO 2 layer 102 is etched using a buffered hydrogen fluoride solution. As a result, the SiO 2 layer 102 is removed except for the region sandwiched between the
以上説明した本実施の形態においては、以下に述べるような作用効果を奏することができる。
(1)一対のアームのいずれか一方を振動させ、その振動の変化を検出し、検出結果に基づいて一対のアームの把持力を演算するようにしたので、非常に小さな把持力を検出することができる。
(2)なお、振動機構のイミタンス変化を検出することによって振動変化を検出するようにしても良い。例えば、櫛歯電極の静電力によりアームを振動させる振動機構のイミタンスを検出する。
(3)また、一対のアームおよび振動機構を、フォトリソグラフィー法によりSOIウエハから一体で形成することにより、ナノピンセットを高精度に加工することができる。
In the embodiment described above, the following effects can be obtained.
(1) Since one of the pair of arms is vibrated, a change in the vibration is detected, and the gripping force of the pair of arms is calculated based on the detection result, a very small gripping force is detected. Can do.
(2) Note that the vibration change may be detected by detecting the immittance change of the vibration mechanism. For example, immittance of a vibration mechanism that vibrates the arm by the electrostatic force of the comb electrode is detected.
(3) Further, the nanotweezers can be processed with high accuracy by integrally forming the pair of arms and the vibration mechanism from the SOI wafer by a photolithography method.
なお、上述した実施の形態では、櫛歯駆動機構によりアーム2を振動駆動したが、電気的に駆動する駆動機構を用いてアーム2を振動させるようにしても良い。例えば、圧電素子でアーム2を振動駆動する場合、圧電素子のアドミッタンスの変化を計測して把持力を検出する。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
In the above-described embodiment, the
1,2:アーム、3,4:駆動機構、5,6:直流電源、7:交流電源、8,10:制御部、9:演算部、11:入力部、12:ベース、30,31,40,41:櫛歯状凹凸部、D:駆動部、G:グリッパ部 1, 2: Arm, 3, 4: Drive mechanism, 5, 6: DC power supply, 7: AC power supply, 8, 10: Control unit, 9: Calculation unit, 11: Input unit, 12: Base, 30, 31, 40, 41: Comb-like uneven parts, D: driving part, G: gripper part
Claims (6)
前記一対のアームのいずれか一方を振動させる振動機構と、
前記振動機構によるアーム振動の変化を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて、前記一対のアームの把持力を演算する演算手段とを備えたことを特徴とするナノピンセット。 In nano tweezers that hold a sample with a pair of arms that can be opened and closed by an opening and closing drive mechanism,
A vibration mechanism for vibrating any one of the pair of arms;
Detecting means for detecting a change in arm vibration by the vibration mechanism;
A nanotweezer comprising: a calculation unit that calculates a gripping force of the pair of arms based on a detection result of the detection unit.
前記振動機構は振動状態に応じたイミタンスを発生するものであり、
前記検出手段は、前記イミタンスの変化を検出することを特徴とするナノピンセット。 The nanotweezers according to claim 1,
The vibration mechanism generates immittance according to a vibration state,
The nanotweezers characterized in that the detection means detects a change in the immittance.
前記振動機構は、静電力により振動する櫛歯電極を備えたことを特徴とするナノピンセット。 The nanotweezers according to claim 2,
The nano-tweezers characterized in that the vibration mechanism includes a comb-tooth electrode that vibrates by an electrostatic force.
前記一対のアームおよび前記振動機構を、フォトリソグラフィー法によりSOIウエハから一体で形成したことを特徴とするナノピンセット。 The nanotweezers according to claim 3,
The pair of arms and the vibration mechanism are integrally formed from an SOI wafer by a photolithography method.
前記一対のアームのいずれか一方を振動させ、試料把持時における振動の変化を検出し、その検出結果に基づいて前記一対のアームの把持力を演算することを特徴とする把持力検出方法。 A gripping force detection method for nanotweezers that grips a sample with a pair of arms that can be opened and closed by an opening and closing drive mechanism,
One of the pair of arms is vibrated, a change in vibration at the time of gripping the sample is detected, and the gripping force of the pair of arms is calculated based on the detection result.
前記振動機構によるアーム振動の変化を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて、前記一対のアームの把持力を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする駆動装置。 A nano tweezers drive device provided with a vibration mechanism that vibrates one of a pair of freely openable and closable arms,
A detection unit for detecting a change in arm vibration by the vibration mechanism;
A driving apparatus comprising: a calculation unit that calculates a gripping force of the pair of arms based on a detection result of the detection unit.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006107594A JP4806771B2 (en) | 2006-04-10 | 2006-04-10 | Nano tweezers, gripping method, and gripping force detection device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006107594A JP4806771B2 (en) | 2006-04-10 | 2006-04-10 | Nano tweezers, gripping method, and gripping force detection device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007276072A true JP2007276072A (en) | 2007-10-25 |
JP4806771B2 JP4806771B2 (en) | 2011-11-02 |
Family
ID=38678082
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006107594A Active JP4806771B2 (en) | 2006-04-10 | 2006-04-10 | Nano tweezers, gripping method, and gripping force detection device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4806771B2 (en) |
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009008671A (en) * | 2007-06-01 | 2009-01-15 | Aoi Electronics Co Ltd | Tweezer-equipped scanning probe microscope and transfer method |
JP2009006471A (en) * | 2007-06-01 | 2009-01-15 | Aoi Electronics Co Ltd | Nano tweezers and gripping method |
JP2009192370A (en) * | 2008-02-14 | 2009-08-27 | Sii Nanotechnology Inc | Conductivity measuring apparatus and conductivity measuring method |
JP2009210330A (en) * | 2008-03-03 | 2009-09-17 | Hitachi High-Technologies Corp | Micro-sample handling device |
JP2009248229A (en) * | 2008-04-04 | 2009-10-29 | Sii Nanotechnology Inc | Minute manipulator and observation device having the same |
CN102485439A (en) * | 2010-12-02 | 2012-06-06 | 财团法人金属工业研究发展中心 | Micro-sensing clamping device |
CN103056887A (en) * | 2013-01-17 | 2013-04-24 | 苏州大学 | Multi-finger micro-gripper |
WO2014188738A1 (en) * | 2013-05-22 | 2014-11-27 | アオイ電子株式会社 | Electrostatic-induction-type electromechanical transducer and nano tweezers |
CN106743497A (en) * | 2017-03-15 | 2017-05-31 | 台州职业技术学院 | A kind of grabber |
TWI594942B (en) * | 2015-02-16 | 2017-08-11 | 國立清華大學 | Nano-/micro- actuator and gripper with patterned magnetic thin film and method thereof |
CN108500951A (en) * | 2018-03-14 | 2018-09-07 | 上海应用技术大学 | A kind of micro-clamp with submissive enlarger of Laser Driven |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109650327B (en) * | 2018-11-07 | 2021-03-12 | 天津大学 | Flat plate type three-dimensional large-stroke nano operating platform |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06155318A (en) * | 1992-11-20 | 1994-06-03 | Ntn Corp | Tweezers for fine object |
JPH06194157A (en) * | 1992-12-25 | 1994-07-15 | Canon Inc | Positioning control method, facing method, tunneling microscope using it, and recording/reproducing device |
JPH11300662A (en) * | 1998-04-27 | 1999-11-02 | Yokogawa Electric Corp | Micropincette |
JP2006026826A (en) * | 2004-07-16 | 2006-02-02 | Aoi Electronics Co Ltd | Nano-gripper device |
-
2006
- 2006-04-10 JP JP2006107594A patent/JP4806771B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06155318A (en) * | 1992-11-20 | 1994-06-03 | Ntn Corp | Tweezers for fine object |
JPH06194157A (en) * | 1992-12-25 | 1994-07-15 | Canon Inc | Positioning control method, facing method, tunneling microscope using it, and recording/reproducing device |
JPH11300662A (en) * | 1998-04-27 | 1999-11-02 | Yokogawa Electric Corp | Micropincette |
JP2006026826A (en) * | 2004-07-16 | 2006-02-02 | Aoi Electronics Co Ltd | Nano-gripper device |
Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4708455B2 (en) * | 2007-06-01 | 2011-06-22 | アオイ電子株式会社 | Scanning probe microscope with tweezers and transport method |
JP2009006471A (en) * | 2007-06-01 | 2009-01-15 | Aoi Electronics Co Ltd | Nano tweezers and gripping method |
JP2009008671A (en) * | 2007-06-01 | 2009-01-15 | Aoi Electronics Co Ltd | Tweezer-equipped scanning probe microscope and transfer method |
US7987703B2 (en) | 2007-06-01 | 2011-08-02 | Aoi Electronics Co., Ltd. | Tweezer-equipped scanning probe microscope and transfer method |
JP2009192370A (en) * | 2008-02-14 | 2009-08-27 | Sii Nanotechnology Inc | Conductivity measuring apparatus and conductivity measuring method |
JP2009210330A (en) * | 2008-03-03 | 2009-09-17 | Hitachi High-Technologies Corp | Micro-sample handling device |
JP2009248229A (en) * | 2008-04-04 | 2009-10-29 | Sii Nanotechnology Inc | Minute manipulator and observation device having the same |
CN102485439A (en) * | 2010-12-02 | 2012-06-06 | 财团法人金属工业研究发展中心 | Micro-sensing clamping device |
CN103056887A (en) * | 2013-01-17 | 2013-04-24 | 苏州大学 | Multi-finger micro-gripper |
CN103056887B (en) * | 2013-01-17 | 2015-05-13 | 苏州大学 | Multi-finger micro-gripper |
WO2014188738A1 (en) * | 2013-05-22 | 2014-11-27 | アオイ電子株式会社 | Electrostatic-induction-type electromechanical transducer and nano tweezers |
JP2014230397A (en) * | 2013-05-22 | 2014-12-08 | アオイ電子株式会社 | Electrostatic induction type electromechanical conversion element and nano-tweezers |
TWI594942B (en) * | 2015-02-16 | 2017-08-11 | 國立清華大學 | Nano-/micro- actuator and gripper with patterned magnetic thin film and method thereof |
CN106743497A (en) * | 2017-03-15 | 2017-05-31 | 台州职业技术学院 | A kind of grabber |
CN108500951A (en) * | 2018-03-14 | 2018-09-07 | 上海应用技术大学 | A kind of micro-clamp with submissive enlarger of Laser Driven |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4806771B2 (en) | 2011-11-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4806771B2 (en) | Nano tweezers, gripping method, and gripping force detection device | |
US7489143B2 (en) | Nanogripper device and method for detecting that a sample is gripped by nanogripper device | |
Bazaz et al. | Design, simulation and testing of electrostatic SOI MUMPs based microgripper integrated with capacitive contact sensor | |
Tang | Electrostatic comb drive for resonant sensor and actuator applications | |
US9038443B1 (en) | Microfabricated resonant fluid density and viscosity sensor | |
Zhang et al. | In situ electron microscopy mechanical testing of silicon nanowires using electrostatically actuated tensile stages | |
Beyeler et al. | Monolithically fabricated microgripper with integrated force sensor for manipulating microobjects and biological cells aligned in an ultrasonic field | |
US7339383B2 (en) | Nanogripper device having length measuring function and method for length measurement executed with nanogripper device having length measuring function | |
Yamahata et al. | Silicon nanotweezers with subnanometer resolution for the micromanipulation of biomolecules | |
JP4708455B2 (en) | Scanning probe microscope with tweezers and transport method | |
Khan et al. | Design, implementation and testing of electrostatic SOI MUMPs based microgripper | |
JP4378532B2 (en) | Comb-shaped probe driving apparatus, atomic force microscope apparatus, and displacement measuring method | |
Kobayashi et al. | Microelectromechanical systems-based electrostatic field sensor using Pb (Zr, Ti) O3 thin films | |
Huang et al. | Determination of piezoelectric coefficients and elastic constant of thin films by laser scanning vibrometry techniques | |
JP4461277B2 (en) | Scanning probe microscope apparatus and sample surface shape observation method | |
JP2009085729A (en) | Sensor element and physical sensor device | |
JP2006255847A (en) | Nano-tweezer, micro force measuring device having it and method | |
JP4405333B2 (en) | Nano gripper | |
JP3374973B2 (en) | Measuring method and measuring device for output pressure of constant section working body | |
CN111024194A (en) | Coupled double-end clamped beam resonator for micro-quality detection and quality detection method | |
JP4959632B2 (en) | Nano tweezers and gripping method | |
JP4562615B2 (en) | Micro sample gripping device | |
Guo et al. | Flexural plate wave excitation using bulk modes | |
Pachkawade | NEMS based actuation and sensing | |
JP3775082B2 (en) | Minute object transport device, method for manufacturing minute object transport device, and method for transporting minute object |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20071115 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100311 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100406 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100531 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101116 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110117 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20110705 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20110721 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20110721 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140826 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4806771 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |